灌區水工建筑物混凝土裂縫產生的原因分析及防治措施研究

李國勇

（湖南省雙牌水庫管理局，湖南 永州 425100）

1 灌區水工建筑物混凝土裂縫產生的主要原因

1.1 案例概述

以湖南省雙牌灌區工程為例。雙牌灌區設計引用流量25 m3/s，加大流量28.75 m3/s，設計灌溉32.54萬畝農田，受益人口近50萬人。現有干渠1條，長96 km；支渠19條（含分支渠），總長357.60 km。干渠上主要建筑物有：渡槽12處，隧洞12處，埋管14處，倒虹吸管1處，泄洪閘9處，節制閘7處，支渠分水閘19處，其它附屬建筑物400余處。

1.2 灌區水工建筑物現狀

1.2.1 渡槽工程

1）由于設計方面的原因，渡槽槽身支座與排架支承結合處，在施工時未設置滑移鋼墊板，經多年溫度應力作用，導致多處牛腿混凝土開裂、掉塊與露筋。

2）渡槽槽身混凝土自然老化嚴重，尤其是臨水面混凝土脫落露筋、開裂以及蜂窩麻面現象普遍。渡槽槽身伸縮縫止水老化破損嚴重，漏水現象較嚴重。

1.2.2 隧洞工程

原設計時，因隧洞工程水文地質勘探工作不夠詳盡，在施工中未考慮排水減壓措施，導致冷山、壽塘等5處隧洞出現側墻裂縫、錯位和底板隆起等情況。

已襯砌隧洞的混凝土均出現不同程度的裂紋，部分老化破損。

1.2.3 管涵工程

1）良灣倒虹吸管因施工質量極差，混凝土開裂，滲漏比較嚴重。

2）埋管均是在工程運行時出現滑坡、垮方之后增設的，屬搶修工程，因施工工期短，施工質量得不到保證，同時，在材料和技術水平上都存在不同程度的問題，運行一段時間后，出現變形、側墻位移、管頂開裂、露筋露石等現象。

綜上，混凝土裂縫是雙牌灌區水工建筑物的“常發病”和“多發病”。

1.3 裂縫產生的原因

1.3.1 荷載因素

一般來說，由于荷載引發的裂縫，主要類型有：

1）直接應力裂縫。由外荷載造成的直接應力產生的裂縫，多是設計環節的問題，如未計算或者部分漏算、計算模型不合理等；在建筑物施工環節，未遵循設計圖紙要求，擅自改變建筑物結構施工的順序、更改結構受力模式等。

2）次應力裂縫。指的是因為外荷載造成的次生應力產生的裂縫，主要是受外荷載的影響，結構受力假設和實際受力不相符，造成部分位置出現次應力使得結構開裂。多數荷載裂縫的產生都是這個原因。

1.3.2 溫度因素

混凝土具有熱脹冷縮的特點，如果外部環境或者結構內部溫度出現變化，那么混凝土會出現變形，如果變形受到約束，則會造成結構內部出現應力，若應力超過混凝土抗拉強度，那么就會造成溫度裂縫。一般來說，引發溫度變化的原因包括年度溫差、日照強度、溫度驟降、水化熱等。其中，日照和溫度驟降為主要原因。

1.3.3 混凝土收縮

混凝土收縮造成的裂縫比較普遍，主要類型有：

1）塑性收縮。塑性收縮主要發生在施工環節，混凝土澆筑4～5 h，水泥會產生很強烈的水化熱反應，造成水分快速蒸發。隨著水分的流失，加之骨料因為自重下沉，同時混凝土沒有硬化，塑性收縮產生的量級很大，能夠達到1%左右。當骨料下沉時，如果遇到鋼筋的阻擋，將會形成沿鋼筋方向的裂縫。

2）縮水收縮。主要出現在混凝土硬結之后，由于混凝土表層水分損失快，內部水分損失慢，使得表面收縮很大而內部收縮比較小，造成不均勻收縮，表面收縮受到內部混凝土的約束影響，造成表面混凝土承受拉力，如果超出一定的限制則會造成裂縫。

1.3.4 鋼筋銹蝕

從水工建筑物裂縫產生的原因分析，鋼筋銹蝕是一個重要原因。若混凝土質量很差或者保護層不達標，混凝土保護層受到侵蝕炭化至鋼筋表面，造成鋼筋表面氧化膜被破壞，從而產生銹蝕。受銹蝕引起體積膨脹等因素影響，鋼筋有效截面減少使得鋼筋結構承載力弱化，進而引發裂縫。

1.3.5 材料因素

混凝土的材料包括水泥、骨料及拌合水等。若材料配制的參數不達標，也很容易造成結構裂縫。水泥安定性不達標，出廠時的強度未達到要求，水泥受潮或者過期，均會使混凝土的強度無法達到要求，造成混凝土開裂；砂石材料如果粒徑很小，或級配不良、空隙率很大，將造成水泥與水的用量增加，影響混凝土的強度，造成混凝土收縮增加；拌合水或者外加劑中氯化物等雜質含量超標，則會給鋼筋銹蝕帶來可能。上述因素均可導致裂縫的產生。

1.3.6 工藝因素

混凝土結構澆筑、構件制作以及起模等作業全過程，如果不嚴格控制，都容易造成各類裂縫。主要有下列情況：

1）混凝土保護層過厚，或者施工時踩到已經綁扎的上層鋼筋，使受負彎矩的受力筋保護層增加，進而使構件的有效高度減小，最終形成受力鋼筋垂直的裂縫。

2）混凝土振搗密實不夠，產生蜂窩麻面以及空洞等問題，造成鋼筋銹蝕或者其他問題。

3）混凝土澆筑速度過快，并且混凝土流動性很低，在硬化前因為沉實不足，造成硬化后沉實過大，使得澆筑數小時后產生裂縫。

4）混凝土材料攪拌和運輸環節出現水分蒸發的問題，造成混凝土坍落度不達標，會產生不規則的收縮裂縫。

5）混凝土初期養護不到位，致使混凝土和大氣接觸的表面位置出現不規則的收縮裂縫。

6）混凝土分層或者分段澆筑作業時，接頭位置未做好妥善處理，很容易使新舊混凝土與施工縫之間產生裂縫。

7）模板剛度不達標，澆筑作業時，受到側向壓力的影響使得模板變形，進而產生裂縫問題。

8）模板拆除的時間過早，混凝土強度不足，造成結構在自重或者施工荷載影響下出現裂縫。

2 灌區水工建筑物混凝土裂縫的防治措施

2.1 混凝土裂縫的預防

2.1.1 設計方案的優化

因外荷載造成的直接應力產生的裂縫，多數是設計環節的問題。因此，從建筑物設計環節入手，在受力和配筋計算時，應充分考慮結構物實際工作狀態與常規計算之間可能存在的誤差，防止發生結構受力假設和實際受力不相符的情況，防范結構突變的產生。同時，考慮氣候因素合理選擇混凝土配合比，在容易產生溫度裂縫的部位設置一些溫度鋼筋來進行抗拉，鋼筋的保護層厚度在規范允許的范圍內盡量選取較小值，以避免保護層過大導致溫度裂縫的產生。另外，還可以通過合理設置后澆帶和伸縮縫的方法來將大體積混凝土分隔為規則的小塊結構，增加混凝土水化熱的散熱面積，從而避免其內部溫度升高過快，減少應力的集中，防止溫度裂縫的產生。

2.1.2 材料質量的控制

1）水泥。混凝土水化熱的大量釋放是導致大體積混凝土產生溫度裂縫的主要原因，因此，在澆筑大體積混凝土時，應盡量選擇水化熱較低的水泥，還可摻加粉煤灰等摻合料，以減少水泥的用量。

2）砂石。粗骨料級配應合理，減小粗骨料空隙率，在滿足施工要求的前提下，粗骨料最大粒徑盡量增大，以節約水泥，提高混凝土密實度。砂料細度模數控制在2.4以上，含泥量控制在1%以內；針片狀碎石含量控制在15%以內，含泥量控制在1%以內。

2.1.3 施工工藝的控制

1）澆筑時間。混凝土澆筑應合理安排施工時間，盡可能避開高溫和低溫天氣，夏季應避免高溫時段，若在上述條件下施工，則應采取相應遮擋和保溫措施。

2）拌和。拌制混凝土時，嚴格配料，水、水泥、砂子稱量偏差控制在允許范圍內，嚴格控制拌和程序與拌和時間。離差系數C v值小的混凝土相應的抗裂能力高，C v值應控制在0.15以內。

3）降低澆筑溫度。預冷骨料、冷水拌和是降低混凝土溫度的主要方法，同時，在大體積混凝土澆筑施工中，可以在混凝土結構內部預先鋪設冷卻管路，在混凝土澆注完成之后再進行通水循環冷卻。

4）振搗。振搗務必到位，對澆筑后坍落度已經消失開始初凝前的混凝土進行二次振搗，能較好地消除粗骨料和鋼筋下面的水膜，消除沉縮收縮量。泵送混凝土特別需要二次振搗。

5）表面抹壓。混凝土振搗至設計高度后，應進行表面抹壓。先用刮杠粗略找平，初凝時用木探子抹壓，將面層小凹坑、氣泡眼、砂眼等壓平，增加表面混凝土密實度。在混凝土終凝前再進行二次人工抹壓收光，以防止因混凝土干縮、塑性收縮而產生表面裂縫。

6）養護。充分養護是防止混凝土干縮裂縫的重要措施。混凝土澆筑完畢12 h后即可開始養護，養護時間不得低于14天。高溫季節和重要部位應適當增加養護時間，并用保水材料覆蓋，嚴禁陽光直射到新澆筑混凝土表面。冬季澆筑混凝土應對混凝土表面進行保溫。

2.1.4 施工過程的監測

在水工建筑物施工過程中，保證混凝土的優良質量對預防裂縫的產生有著至關重要的作用，因此，應加強對混凝土溫度以及收縮變形程度相關數據的監測，以便及時采取應對措施，尤其要防止貫穿裂縫的產生。

2.2 混凝土裂縫的處理方法

2.2.1 開槽修補法

這種方法適用于寬度較大的裂縫，如開槽結構面上的鋼筋銹蝕裂縫、寬度大于0.5 mm的裂縫等。在混凝土裂縫修補過程中，先沿著水工建筑物裂縫走向，將裂縫開成大小合適的溝槽，在溝槽中填充已拌好的改性環氧樹脂砂漿，砂漿嵌入縫槽內處理好后兩小時以內及時用毛氈、麻袋將聚硫橡膠改性環氧樹脂砂漿進行覆蓋。

2.2.2 化學灌漿法

適用于裂縫寬度為0.2～0.5 mm的混凝土裂縫修補，先對裂縫內部進行環氧樹脂灌漿補強處理，再對裂縫表面進行環氧膠泥封閉。工藝流程為：清洗縫面—→鉆孔—→安裝灌漿塞—→封縫—→壓水試驗—→化學灌漿—→拆卸灌漿塞、封孔—→表面清理。

2.2.3 涂膜覆蓋法

適用于寬度小于0.2 mm的細小裂縫，主要做法是在水工建筑物混凝土裂縫表面涂抹彈性密封膠、聚合物水泥膏、滲透性防水劑等材料，在裂縫表面形成保護膜，從而修補混凝土裂縫。

3 結 語

綜上所述，從工程設計和建設環節入手，針對材料質量和工藝運用規范等，采取有效的管理措施，有效防范和應對混凝土裂縫，對于保障灌區水工混凝土建筑物的安全和穩定，具有重要意義，實踐中需要結合水工混凝土建筑物的特點，積極創新，以提高工程建設的效益水平。